基于光波导阵列电光扫描器的扫描光束边瓣压缩方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光波导阵列电光扫描器的扫描光束边瓣压缩方法。本方法针对考虑光波导间耦合的光波导阵列电光扫描器的光束边瓣，通过设置不相等的光波导芯层折射率压缩由光波导间耦合引起的扫描光束边瓣，通过设置光波导间距不规则分布压缩由光波导等间距引起的扫描光束边瓣。其过程是：将每个波导芯层的折射率设置为大于或小于相邻波导芯层折射率；各波导间距按照单调线性增大或单调二次方增大或单调三次方增大的规律设置；对此设置参数进行模拟得到未进行光束扫描时的辐射光强分布；再设置不同波导的附加初相位，并进行模拟运算得到光束扫描时的辐射光强分布。本发明专利技术可有效降低波导间的耦合，压缩扫描光束边瓣，提高目标探测的能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光
，具体地说是一种利用光波导阵列实现的快速光波导阵列电光扫描器的扫描光束边瓣压缩的方法，可用于激光雷达、激光制导、激光显示领域的光束扫描。
技术介绍
随着激光雷达、激光制导、激光显示技术的发展，对激光扫描的特性提出了更高的要求，实现激光扫描的技术方案有很多种，如光机扫描、电光扫描、声光扫描、光学相控阵技术等。光机扫描在诸如红外成像等许多系统中已被广泛采用，特别是近年来发展起来的微电子机械扫描技术，使这种技术得到更广泛的应用。光机扫描的优点是扫描范围大、光损耗小，但因其存在惯性器件，扫描速度慢，使其应用受到限制。电光、声光扫描是利用电光、声光效应改变光束在空间传播方向。这两种扫描的优点是扫描寻址速度快、可控性好，但是传统的电光、声光扫描由于控制电压高、扫描范围小、光损耗大，直接影响了它们的实际应用。近年来，光学相控阵技术OPA逐渐成为国际上研究光束扫描的热点。光束控制的基本结构是由若干个阵元构成，通过控制入射到每个阵元中的光的相位延迟，使光束进行空间扫描。光学相控阵具有结构简单、重量轻、精确稳定、方向可控优点，可通过程序控制实现多束光同时扫描，并具有动态的聚焦和散焦能力。多年来，众多的研究人员对其进行了研究。其中，1995年Thomas等人在“Programmable diffractive optical element using a multichannellanthanum-modified lead zirconate titanate phase modulator”(Opt.Lett.，20，1995，1510-1512)中提出的基于铅镧锆钛烧结体PLZT的光学相控阵设计和1996年McManamon等人在“Optical Phased Array Technology”(Proc.IEEE，84，1996，268～298)中提出的基于向列相液晶的紧凑、高分辨率光学相控阵，代表了目前两个重要的研究方向。这两种光学相控阵具有较大的数值孔径，但是由于向列相液晶的响应速度慢，只有ms量级，因而在高速扫描的应用中难以很好的发挥作用；而PLZT因其调制电压较高，驱动电源较复杂，使应用范围也受到了一定的限制。Hobbs等人在“Laser Electro-Optic Phased Array Devices(LEOSPARD)”(IEEE Laser and Electro-Optics Society Conf.Proc.，1989，94～95)中提出了一种光波导阵列电光相控光束扫描的概念。其中，如图1所示的光波导阵列电光扫描器，代表了可实用化光学相控阵的另一个重要的发展方向，受到了人们的关注，并进行了广泛的研究。在不考虑光波导间的耦合对扫描特性影响的情况下，我们采用“一种新型的光波导阵列电光快速扫描器”(光学学报，2002，1318-1322)中的衍射理论研究光学相控阵的扫描特性表明，光波导阵列电光扫描器空间场分布除了用于扫描的主瓣外，还有一些影响扫描特性的边瓣。图3是由衍射理论计算出的当光波长λ＝0.85μm，光波导芯层厚度即光波导宽度a＝0.55μm，光波导间距d＝1.7μm时，10层光波导阵列的光束辐射特性。图3(a)是未进行扫描即扫描角度为0°时的辐射光强归一化分布，图3(b)为扫描角度为15°时的辐射光强归一化分布。由图3可见，在光波导阵列电光扫描器的扫描过程中，边瓣对扫描光束特性影响很大，它将导致扫描范围减小并将成为探测信号的干扰。根据实际应用的需要，必须对边瓣进行压缩。对于不考虑光波导间的耦合的理想情况下的边瓣压缩，已经有人对其进行了专门的讨论，如相控阵光学装置及方法，中国专利，申请号97119771.7。该专利在忽略光波导之间耦合的前提下，采用光波导间距不规则分布方法研究了光学相控阵的边瓣压缩。但是在实际工作中，由于光波导阵列电光扫描器的光波导宽度和光波导间距都非常小，因而光波导间的耦合对光束扫描特性的影响不能被忽略。如果采用仿真模拟方法—有限差分光束传输法研究光波导阵列电光扫描器的扫描特性就会发现，光波导间的耦合对扫描特性的影响很大，在扫描过程中，除了原来的主瓣和边瓣之外，还出现其它一些边瓣。图4是利用有限差分光束传输法计算出的当光波长λ＝0.85μm，光波导芯层厚度a＝0.55μm，光波导间距d＝1.7μm，芯层折射率n1＝3.51，包层折射率n2＝3.43时，10层光波导阵列的光束辐射特性。图4(a)是未进行扫描时即扫描角度为0°的辐射光强归一化分布，图4(b)为扫描角度为15°时的辐射光强归一化分布。由图4与图3比较可见，由于光波导间耦合的影响，空间扫描光场分布特性发生了很大变化，边瓣对扫描特性的影响更加严重，甚至有可能使得目标探测无法进行。因而对于这种光波导阵列电光扫描器，压缩扫描光束的边瓣，以提高光束扫描质量和目标探测精度是一个关键性的重要问题。应当指出的是，这个问题对于类似结构的光学相控阵技术带有普遍意义。专利技术的内容本专利技术的目的是提供，在考虑光波导间耦合的情况下，对光波导阵列电光扫描器扫描光束的边瓣进行有效压缩，以解决因扫描光束边瓣较大，影响扫描光束质量和实际应用中探测精度的问题。本专利技术是这样实现的技术原理1.通过设置相邻光波导芯层折射率不相等分布，降低光波导间的耦合，压缩扫描光束边瓣。根据“波导芯层折射率不同的定向耦合器研究”(华中科技大学学报，35(Z1)，2007，30-33)理论，当相邻光波导芯层折射率不相等时，其导模的传播常数差别较大，光波导间耦合很小；对于由折射率不相等引起的光波传播常数失配问题，可以通过合理设计光波导的长度，使得输出面上不同光波导之间的相位差恰好为2π的整数倍，实现相位匹配。因此，可以设置相邻光波导芯层折射率不相等分布，有效降低光波导间的耦合，压缩边瓣。2.在设置相邻光波导芯层折射率不相等的基础上，通过光波导间距不规则分布进一步压缩边瓣。光波导间距不规则分布边瓣压缩的原理(Suppression of sidelobes in thefar-field patterns of electro-optical waveguide array，SPIE，5279，2004，416-422)是通过优化设计光波导间距不规则分布，并利用电光效应控制不同光波导的输出相位Δj，保证在空间扫描角度θs上衍射光束相干相长，形成扫描主瓣，而在其它衍射方向上不满足相干相长，达到边瓣压缩的目的。对于光波导间距不规则分布的光波导阵列电光扫描器，空间辐射角为θ时的振幅分布为 式中，E0为相应的单缝衍射接收屏中心处的振幅，α＝πasinθ/λ，a为光波导厚度，λ为入射光波长，N为光波导阵列层数，Aj为第j层光波导的光场振幅，k为真空中的波数，xj是第j个光波导到第一个光波导的距离。对于均匀照射光波导阵列的情况(Aj＝1)，上式可简化为 dj＝xj-xj-1(3)dj为第j个光波导与第j-1个光波导的间距。相应地，空间辐射角为θ时的光强分布为 I0=E02]]>为相应的单波导辐射光束接受屏中心处的光强。根据上式，改变dj的大小即改变xj的分布，并通过电光效应控制Δj，就可以改变光强I(θ)的分布。当通过优化设计满足在空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光波导阵列电光扫描器边瓣压缩方法，包括如下过程：根据波导材料和金属有机物化学气相沉积的要求设置每个波导包层折射率、波导宽度、波导长度及入射光波长；将每个波导芯层的折射率设置为大于或小于相邻波导芯层折射率，以降低波导间的耦 合，压缩扫描光束边瓣；将各波导间距按照单调线性增大设置，以压缩由于波导等间距引起的边瓣；根据Ｉ（θ）＝Ｉ↓［０］ｓｉｎα／α｜＊ｅｘｐ（ｉｋｘ↓［ｊ］ｓｉｎθ）｜↑［２］，利用Ｍａｔｌａｂ软件对此参数进行模拟得到未进行光束扫 描时的辐射光强分布，这种光强分布即是扫描角度为０°时的辐射光强分布；按照单调增大设置不同波导的附加初相位△φ↓［ｊ］，不同的增大斜率对应了不同的扫描角度，根据Ｉ（θ）＝Ｉ↓［０］ｓｉｎα／α｜＊ｅｘｐ（ｉ（ｋｘ↓［ｊ］ｓｉｎθ－△φ ↓［ｊ］））｜↑［２］，利用Ｍａｔｌａｂ软件进行模拟运算得到了光束扫描时的辐射光强分布，式中，Ｉ↓［０］为相应的单缝衍射接收屏中心处的光强，α＝πａｓｉｎθ／λ，ａ为波导厚度，θ为空间辐射角，λ为入射光波长，Ｎ为波导阵列层数，ｋ为真空中的波数，ｘ↓［ｊ］是第ｊ个波导到第一个波导的距离。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石顺祥，梁华伟，李家立，马琳，刘继芳，孙艳玲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]